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Capítulo 15
Fluidos
Objetivos Cuando term ine de estudiar este capítulo e! alumno: 1.
Definirá y aplicará los conceptos de presión de fluidos y em puje vertical hacia arriba (fuerza de flotación) para resolver problem as físicos sim ilares a los que se presentan como ejem plos en el texto.
2 . Escribirá e ilustrará con dibujos los cuatro principios básicos de la presión de fluidos com o se resumen en la sección 15.3 para dem ostrar que los ha com prendido.
3 . Definirá presión absoluta, presión manométrica y presión atm osférica, y dem os trará mediante ejem plos su comprensión de la relación entre estos términos.
4 . Escribirá y aplicará fórm ulas para calcular la ventaja m ecánica de una prensa hidráulica en térm inos de las fuerzas o de las áreas de entrada y de salida.
5 . Definirá la razón de flujo (gasto) de un fluido y resolverá problem as que rela cionen la razón de flujo con la velocidad y el área transversal. 6.
Escribirá la ecuación de Bernoulli en su forma general y describirá la ecuación cuando se aplica a (a) un fluido en reposo, (b) un flujo de fluido a presión cons tante y (c) el flujo a través de un tubo horizontal.
7 . Aplicará la ecuación de Bernoulli para resolver problem as que incluyan presión absoluta P, densidad p, elevación del fluido h, y velocidad de flujo v. Los líquidos y los gases se conocen como fluidos porque fluyen libremente y tienden a lle nar los recipientes que los contienen. En este capítulo aprenderemos que los fluidos ejercen fuerzas sobre las paredes de los recipientes donde están contenidos. Esas fuerzas actúan sobre áreas definidas y originan una condición de presión. En la prensa hidráulica se utiliza la pre sión del fluido para elevar cargas pesadas. La estructura de los depósitos de agua, las presas y los grandes tanques de aceite se diseñan, en gran parte, tomando en cuenta la presión. En el diseño de barcos, submarinos y globos meteorológicos se debe tomar en cuenta la presión y la densidad del fluido circundante. Estudiaremos también los aspectos fundamentales del flujo de fluidos y las leyes de Bernoulli que gobiernan dicho movimiento.
Densidad Antes de estudiar la estática y la dinámica de fluidos, es importante entender la relación entre la masa de un cuerpo y su volumen. Podría decirse que un bloque de plomo es más pesado que un bloque de madera. Lo que en realidad queremos expresar es que un bloque de plomo es más pesado que un bloque de madera de tamaño similar. Los términos ligero y pesado son de carácter comparativo. Como se ilustra en la figura 15.1, un bloque de plomo de 1 cm3tiene una masa de 11.3 g, mientras que un bloque de roble de 1 cm3 tiene una masa de sólo 0.81 g. El volumen de la madera debe ser 14 veces el volumen del plomo si éstos tienen la misma masa. La densidad o masa específica p de un cuerpo se define como la relación de su masa m con respecto a su volumen V. m
P = ~
m = pV
( 15. 1)
La unidad del SI para la densidad es kilogramos por metro cúbico (kg/m 3). Por tanto, si un objeto tiene una masa de 4 kg y un volumen de 0.002 m3, tiene una densidad de 2000 kg/m 3. Cuando trabajamos con volúmenes pequeños la densidad se expresa en gramos por centíme tro cúbico (g/cm 3). Aun cuando no se recomienda el uso de unidades del SUEU, las unidades más viejas se siguen usando en Estados Unidos, por lo que es conveniente mencionar cuando menos el concepto de peso específico D. El peso específico se usa con frecuencia para las unidades más viejas de peso (Ib) y longitud (ft).